一種船舶遠傳監控系統的設計與應用研究

賀銀根，田 堃，劉建朔

(上海新奧新能源技術有限公司，河北 廊坊 065001)

一種船舶遠傳監控系統的設計與應用研究

賀銀根，田 堃，劉建朔

(上海新奧新能源技術有限公司，河北 廊坊 065001)

文章以現有的船舶監控系統為研究對象，針對現有的船舶監控系統存在的優缺點做出了簡要分析，提出一種可應用于遠洋及近海的船舶航行遠傳監控系統，系統可根據功能添置或刪減以適應幾乎所有類型的船舶，尤其指現在正快速發展過程中的LNG運輸船，文章從系統的結構設計，功能及其工作原理做了詳細介紹和分析，并從實際應用上做出了明確介紹，最后得出系統的結論及未來展望。

船舶；遠傳監控；應用研究

在航運業飛速發展的同時，因船舶私營化的擴大和管理體制的老化，船舶管理的弊端也逐漸凸現出來，如：航運管理不完善、資源浪費、效率低。因此，如何利用有效的手段將船舶管理上升到有序、合理、高效的管理層面上來成為航運企業的當務之急。隨著航運發展對信息化管理的迫切要求，經濟和科技迅速提高，船舶智能化要求越來越高，無人機艙的實現已成為發展的必然。伴隨LNG船舶的誕生和廣泛運營，船舶LNG燃料海上及時加注問題也是現實問題。

現有技術行業以船舶自動識別系統(AIS系統)為成熟、全面、應用較廣的一套設備系統，AIS系統功能強大，能實時性接受船舶靜態數據、船舶動態數據、船舶航程數據，以及發布實時性的天文水文信息，對船舶行業技術發展起到了很大的推動作用。然而，AIS系統尚存在功能比較單一，不具備遠洋通信、應急求救預警及提供應急方案功能、遠程接收信息處理和LNG船舶加注等功能，船舶終端和監控管理終端之間在線信息交換量小，且建設平臺均基于單獨的航運企業內部或是為保證船舶航行安全的海事部門，相對封閉，標準不統一，各系統未實現互聯互通，在線監控功能較低，可作為智能船舶的基石，其功能尚存空缺。為此我們提出船舶遠傳監控系統(RMCSS系統)可以接入多種船載終端設備及移動客戶端，實現互聯互通，方便船舶客戶及時查詢，以解決航運企業近海和遠洋的監督管理、指揮、調度的實際需求[1]。

1 船舶遠傳監控系統簡介

船舶遠傳監控系統，是一種能通過對船舶主要設備運行的運行狀態和參數的收集，并通過3G/4G 網絡將數據發回公司，使公司能夠動態的了解船舶主要設備的運行狀態和參數。公司也可根據運行船舶發回的數據，及時分析發現船舶設備故障情況，以便船舶設備得到及時有效地維修和保養，實現對運行船舶的信息化管理。船舶遠傳監控系統由遠程監控系統船端和遠程監控公司端2部分組成。船端主要負責采集船公司所需設備的運行狀態和參數，并加以處理、存儲，并可通過3G 網絡將數據定時發送回船公司。遠傳監控公司端將船端發回的數據進行集中處理，并回放和分析。

船務公司直接把握著人、機、環境3大要素的宏觀控制。海事事故發生在船舶，根本原因在公司。重視公司的安全管理已成為國際海事界控制海上事故的重要途徑[2]。船舶遠傳監控系統產品的主要功能包括：正常航行時，實時接收陸、海各類信息，合理規劃船舶航速及航線，以及船舶加注等問題，獲得最優經濟航運方案；特殊航行時，實現運輸船舶的本地視頻監控管理、陸地視頻監控管理和突發事件發生時的遠程調度指揮，減少財產損失和保障生命安全，為水上交通安全提供有力的支持和保障；事故航行時，當發生海事事故或海上突發事件時，海上救助打撈船只及時救援搶險，實現陸地應急指揮中心對突發事件現場情況的及時掌控和調度指揮[2]。

2 船舶遠傳監控系統的結構設計及功能

2.1 船舶遠傳監控系統的結構組成

船舶遠傳監控系統由船端和數據中心組成。船端主要利用船舶已有數據采集系統和內部通信系統，對分散在各類船載設備中的船舶參數、航道和氣象環境、船舶機務狀態信息進行數據采集、數據整合處理、事件檢測和記錄船舶數據采集，將采集的數據進行綜合處理，并將數據傳輸到岸端數據中心。岸端數據中心接收船端各類信息(包括船端的實時設備信息，音視頻信息和航海信息)，并對船端數據進行處理和綜合分析，通過調度和應急指揮系統，綜合分析和輔助決策系統生成航行方案或處置方案，將指令發給船端。同時，也考慮與現有的企業船舶安全管理系統數據共享，為后者提供實時查詢、異常報警、航行狀態等數據。軟件架構采用C/S,B/S混合的模式。采集數據和處理數據主要采用C/S模式。對外發布一般采用B/S模式，移動APP采用C/S模式，如圖1所示。

圖1 船端系統結構框圖

岸端數據中心主要分為中央服務器、數據服務器、視頻服務器、文件服務器、web服務器、VPN路由器。中央服務器用于統籌處理來自于船端和海事,港口及航運公司的數據,并提供權限設置。數據服務器接收來自于船端的實時航行和設備信息數據, 視頻服務器接收來自于船端的音視頻信息,文件服務器其主要功能是接收來自于航運公司、航運管理部門、船端的各類報表、人員等信息，web服務器主要是將處理好的數據提供給海事、港行管理界面入口,航運公司的界面入口。如圖2所示。

圖2 岸端數據中心結構框圖

按照上述功能方案，整個遠傳監控系統在技術性能上分為調度指揮中心、監控中心及海上船舶無線網絡監控管理系統。調度指揮中心、監控中心設置中心管理平臺及顯示大屏幕系統，實現把船舶無線網絡監控信息在一個監控平臺進行管理、控制，達到全面技術供給的最優方案。

2.2 船舶遠傳監控系統的功能

2.2.1 船舶航行特征信息獲取

通過系統的設備或信息渠道，通常在船舶航行前或航行過程中可以實時獲取船舶結構參數及性能函數、動力參數及性能函數；發動機機型及其結構性能指標和工作性能指標；船舶正常航行過程中的發動機轉速、燃料消耗率、各管路及氣口的不同工質的溫度；船舶正常航行中船動裝置的工作狀況、性能函數及參數關系；船舶結構強度、吃水、航速、噸位、客貨載情況、船員數量、罐液位。

2.2.2 實時定位及信息收集功能

系統能夠提供遙感衛星定位功能，同時也支持GPS定位功能，GPS模塊與LNG船舶無線網絡監控采集傳輸終端的RS232接口連接，通過3G無線網絡實現GPS定位功能。使得LNG船舶在大風浪、大霧的惡劣海況下，仍可保持一定的航速前行，并通過數值預報產品及天氣海況適時資料獲取相應的氣象、水文信息[3]。

2.2.3 規劃航速、航線及定期加注功能

根據船舶反饋的信息，遠傳系統通過預處理系統先對船舶基礎數據信息進行儲存和預處理，并將處理好的數據反饋到系統儲存和處理，系統平臺接收到反饋信息后，結合船舶航行的區域特征，以及不可避免的氣象水文等客觀條件，對船舶提出更加合理的航行方案，使船舶航行的利潤最大化，定時對船舶航行過程中的航行區域、航行圖及航行特性進行分析，驗證方案的可實施性及合理性，確定規劃航速、航線及加注等問題，并將方案提交給船舶。

2.2.4 調度指揮功能

實現緊急突發事件處理過程現場視頻圖像采集上報、實時音視頻交互、應急現場支持，使得相關政府部門對應急突發事件的情況了解更加全面、對突發事件的反應更加迅速、對相關人員之間的協調更加充分、決策更加有依據。同時，遠傳監控系統還大大降低了工作人員的工作難度，在內河，可根據信息反饋，高效過閘。

2.2.5 緊急報警信息的采集和聯動管理

當現場出現緊急情況時，搶險人員觸發LNG船舶無線網絡監控采集傳輸終端的“視警”按鈕，系統會以聲音方式通知指揮中心，并在指揮中心大屏幕上彈出現場攝像機畫面。同時也可以聯動中心服務器錄像功能。具有同時處理多任務能力，實現多個現場的同時報警。

2.2.6 監控信息的存儲和備份

通過設備自帶錄像功能，實現本地錄像(功能可選)。也可以直接通過數碼攝像機錄像。啟動指揮中心的計算機中心管理服務器錄像功能，前端現場的音視頻信號經過模數轉換，編碼壓縮，傳送到應急指揮中心的中心管理服務器，通過中心管理服務器進行集中錄像。正在運行的監視器可對當前監視的視頻圖像，進行實時錄像。該功能利于對陽光執法過程進行監督，為事后取證提供依據。同時可對典型事件進行編輯，為同行提供教材[4]。

2.2.7 電子地圖

系統支持電子地圖訪問，以空間數據庫為基礎，將應用數據與地圖有機結合，提供強大的空間分析和查詢功能，豐富的表達方式直觀地顯示結果。

3 船舶遠傳監控系統的技術及工作原理

3.1 遠傳監控系統的技術原理

船舶遠傳監控系統的結構主要包含船舶航運參數信息反饋系統、實時地理氣象水文信息接收系統、客戶信息收集反饋與存儲系統、岸船(船長)通信系統以及中央信息收集處理系統5大系統，并由中央信息收集處理系統擔負著該監控系統的核心工作，掌握著該套系統的運行脈絡，主要指由其它系統反饋過來的信息，通過特定技術快速轉換為數字化信息并將信息報告第一時間交復給船長，從而達到遠程實時監控和調節的服務型目的。

如圖3所示，基于物聯網網絡的前提下，對于船舶A和船舶B各自通過顯示處理器對船舶數據進行采集和初級處理，同時進行通訊需求，同時通過視頻監控器進行視頻采集，進而采集的數據通過3G/4G/VPN路由器跟數據網絡進行互通，物聯網網絡采集的數據可以在云端建立數據庫，通過電信光纖專線供APP用戶、船管部門和船舶客戶進行實時性的監督、管理和調看；云端數據通過電信光纖專線和VPN路由器傳輸到數據核心交換機，核心交換機接收數據信息后將數據信息分別發送到視頻服務器、文件服務器和數據服務器，分別進行做視頻分析或實時航運狀況調閱、文件處理或存儲查閱及數據分析處理或歷史數據存儲，然后將處理后的各類數據信息通過數據交換機將數據全部傳輸到中央服務器，由中央服務器將一部分信息發送到調度服務系統，進行船舶調度，同時通過交換機將相關信息發布到web服務器跟物聯網網絡形成互通和共享。

圖3 遠傳監控系統原理圖

3.2 遠傳監控系統的工作原理

如圖4所示，在以中心數據平臺為基礎的前提下，由天文、水文、船舶定位端、海面和地理、自然地理信息接收處理器，形成地理氣象信息接收系統，系統將接受的信息傳輸到中心數據平臺；由船舶信息接受器、預計航線接收器、貨源信息接收器和燃料實時價格接收器、客戶信息處理端形成客戶信息收集反饋與存儲系統，該系統將信息全部收集存儲后，進行分析，并將分析報告及結果發往中心數據平臺；由船舶儲罐液位監控端、船舶結構顯示器、動力參數監視器、動力設備性能顯示端和航行工況顯示器、船舶航行信息實時接收存儲端組成船舶航運參數信息反饋系統，系統將信息進一步的傳輸到航運信息預處理器，再傳輸到中心數據平臺；由岸船傳訊器、船長和船舶航行調控界面形成岸船通訊系統，系統接受來自中心處理系統的反饋信息對船舶航行狀況進行實時的調整；由航運信息預處理器、中心數據平臺、特殊信息處理端和信息處理報告輸出端形成中央信息收集處理系統，系統對信息進行儲存、分類和處理。

4 船舶遠傳監控系統的應用研究

4.1 船端監控數據中心

遠程監控系統在船端主要應用包括數據采集模塊、數據綜合處理模塊、數據顯示報警模塊、數據傳輸模塊、視頻服務模塊、管理模塊等。

4.1.1 數據采集

1)船舶參數分類。燃料罐數據，包括壓力數據、溫度數據、液位數據等；排漏氣體數據，船舶罐區、供氣管線區LNG氣體泄漏，二氧化碳、氮、硫等排放數據；通導設備數據，如GPS、測深儀、風速風向儀等；船用設備數據，主機、輔機、配電屏等。

2)船舶參數采集方法。目前船舶設備的數據采集方式主要采用各類模塊采集,串口通訊采集,網絡通訊采集等方式：數據模塊采集，對于傳感器信號，需采用模擬量或開關量模塊轉換為數字量信號提供數據綜合處理單元處理；基于通訊的數據采集(串口通訊、網絡通訊)，在基于通訊采集的設備其通信協議的規范上，航行通導設備的數據輸出一般都遵循IEC61162協議，其他機艙設備和貨物設備的通訊協議接口規范一般采用各種不同的協議(常見的有MODBUS等協議)，遠程監控前期主要是針對常見協議開發通用轉換驅動,后期在分析不同的船舶設備廠家的通訊規范的基礎上，制定一套符合船舶遠傳監控系統的數據輸入輸出接口標準(硬件接口、軟件通訊協議)[5]。

4.1.2 數據綜合處理

數據綜合處理模塊將來將分散在各類船載設備中的船舶航行參數、航道和氣象環境、船舶機務狀態信息進行數據采集后,在綜合處理模塊進行數據整合,采集的數據按照統一的格式進行處理(主要是數據的有效性檢查,數據的格式統一,異常數據檢驗,并生成實時數據，以便岸端數據中心使用)[6]。

圖4 遠傳監控系統的工作原理圖

4.1.3 數據顯示報警

1)監測參數異常預警、報警，包括航道水深信息變化預警，以提醒船舶值班人員進行處理，避免事故發生。

2)通過岸端數據中心或本船的AIS系統獲取周圍其它船舶的GPS信息，顯示本船一定范圍內安裝該系統的其它船舶的位置。

4.1.4 數據傳輸

該模塊主要通過船舶通信設備，定時向岸基傳輸，為岸基指揮、調度和安全管理提供依據。考慮到船在內河航行，而且因為船舶需求，對數據有一定的實時性需求，并且船岸需要進行實時交互，其主要通訊方式采用了3G/4G通訊,所以我們考慮在船岸直接采用VPN組網的解決方案，利用共享的Internet網建立VPN連接，可以使企業減少對昂貴租用線路和復雜遠程訪問方案的依賴性, 也可以滿足其使用的需要。同時在岸端加注站周邊和重要水域可利用已布置的公共wifi配合3G/4G網絡進行數據的傳輸，來保證數據的安全、有效和完整性。具體實現如下,在岸端建立一個具有VPN功能(根據需要選擇固定公網IP地址的寬帶接入服務器)，船端采用VPN連接入服務器，提供數據服務(在設計也需考慮船舶航行時3G/4G信號不穩定的情況下，數據的本地化存儲以及通訊重新建立時，歷史數據的上傳和合并)。

4.2 岸端數據中心應用

遠程監控系統在岸端數據中心主要包括初始數據的的接收處理，船舶數據預處理分析，形成案例回放以及儲存歸檔，最后通過數據回傳進行遠程性的數據傳輸和實時性的監督控制，為此從這幾個方向考慮岸端數據中心的實效性應用。①初始數據。同步初始報告，由船上產生，發送回岸上,主要是船舶端的各類基礎數據。②船舶數據回放。岸端數據中心接收船舶發回的數據，可用列表和模擬圖方式顯示船上數據。通過歷史數據庫，可查詢過去一段時間內的報警、消警、報警抑制、傳感器故障記錄。③岸端數據回傳。實現數據交互，將岸端分析后數據傳輸到船端，遠程指導船舶工作。

4.2.1 信息管理

1)船舶航行管理。船舶實施定位、船舶軌跡查詢、區域警告、到港預報、分區監控、重點船舶監控，將整理好的航行數據反饋船舶備份記錄，形成相應的航行報告，實現對船舶的統一調度、加注導航、過閘、進出港等管理。

2)船舶能耗管理。燃料管理：實時監測儲罐運行數據，包括壓力數據、溫度數據、液位數據等，對運行參數預警、報警等。根據目標船位置，設定最優航線，對加注船進行導航，減少船舶燃料消耗。

3)船舶機務管理。包括人員管理、備件管理、設備管理、證書管理等功能。

4)航運信息管理。天氣預報、貨源信息、市場技術信息、通航信息、船員招聘信息、新聞娛樂信息、港口信息。

5)事故應急救援管理。船舶在正常航行時，出現氣源不足、機器故障、機器異常工作、火災、爆炸、觸礁、擱淺、碰撞、溢油以及漏氣等一系列故障，在事件可能要發生之前，根據實時性的信息、圖像進行分析，對船舶值班人員及船東發出預警，提出改進方案，避免不正當的航行方式，造成資金浪費、海上污染及人員傷亡等事故的發生。

6)系統管理。用戶訪問權限管理、數據庫維護、安全策略管理。

7)門戶平臺管理。行業政策信息、市場技術信息、招聘信息、投融資信息、船貨信息、航線查詢、在線交易信息。

4.2.2 移動APP

通過數據中心，用戶通過智能終端，瀏覽船端圖像、查詢船舶設備或貨物信息，查詢船舶位置等。還可實現加注導航，根據目標船位置，設定計劃航線，當船到達航點的報警圈時，系統提示到達航點，并自動轉入計劃航線上的下一個航點開始導航。在計劃航線旁設置偏航范圍，當船位離開此范圍時，系統提示船已偏離引導航線。

5 結束語

船舶遠傳監控系統(RMCSS系統)，能有效監控船舶在近海或遠洋中航行，為船舶的安全經濟航行提供更好的航行方案，并且通過大數據管理平臺能夠實時有效的達到船舶高效管理的目標，文章從系統的結構功能及其運行模式做了詳細的介紹，通過描述，該系統能夠滿足幾乎所有類型的船舶安全管理需求，對于LNG船舶更是添加了獨特的監控模式，能夠使船東在岸上隨時性的了解到其船舶的運行信息，并且掌握其實時性的需求，如燃料不足需加注等一系列問題，本文所描述的系統相較于現有成熟的系統船舶自動識別系統有其更加獨特且全面的功能，最大限度的滿足船員及船東的雙向性需求，大大規避了船舶潛在的安全問題。提高船舶運輸安全管理能力、推進智能船舶的研究步伐。根據遠傳監控系統的功能，系統能有效降低航運企業船舶管理和營運成本、加強船舶運輸信息服務品質及船舶運輸所耗燃料和排放缺失監管，使船舶與岸上娛樂設施同步化；同時能管理船舶行業的大數據平臺，避免現有監控產品功能單一、信息交換量小、避免封閉且標準單一的現象，解決異地管理、指揮、調度的實際需求。

船舶遠傳監控系統在現有的監控技術上提出了一套新的監控模式和系統，除了現有提出的功能外，還有待繼續研究，主要包括填寫并發送過閘申請報告；當船舶在到達區域時，允許手動發送到錨確認消息；自動接收并即時顯示管理部門下發閘室排擋圖、過閘調度計劃報警信息、各種指令、消息等。在岸端數據中心，可經岸端數據中心預留的海事、港行管理接口查詢進出港簽證信息，船舶娛樂功能，也可供參考，即在免費wifi公共服務區，允許船員通過船端3G/4G路由器接入互聯網等等。

[1] 馮思春.船舶遠程監控及數據交換系統的研究與應用[D].大連：大連理工大學,2007.

[2]朱博麟.基于B/S結構的船舶遠程監控系統設計與實現[D].大連：大連海事大學,2008.

[3]呂偉德.基于物聯網技術的水培花卉智能生產關鍵技術的研究與應用[D].杭州：浙江大學,2014.

[4]柳晨光.船舶油水分離器運行狀態遠程監控系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學,2014.

[5]許艷梅.基于3G技術的船舶遠程監控系統的研究與設計[D].大連：大連海事大學,2013.

[6]曾明亮.船舶機艙監控報警系統的設計與實現[D].南京：南京理工大學,2013.

Taking some existing marine monitoring system as the research object,advantages and disadvantages of the existing monitoring system are analyzed briefly and a remote monitoring system which can be applied for both ocean and coastal ship navigation has been put forward,the functions of which can be added or deleted to adapt to almost all types of ships,especially LNG carriers in rapid development.In this paper,analysis and introduction are given in detail from structural design,functions and working principle,A conclusion and future prospect are drawn finally.

ship;remote monitoring;application research

賀銀根(1993-)，男，江西萍鄉人，大學本科，主要從事船舶動力研究工作。

U664.21

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.007

2015-09-06